Soldadura de Aceros

SOLDADURA DE ACERO PARA MATRICES

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ÍNDICE

Pág. INTRODUCCIÓ N .......................................................................................... 2 MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS................... 15 LA ZONA DE SOLDADURA ......................................................................... 23 CARACTERÍSTICAS DEL METAL DE APORTACIÓ N ..................................... 26 ¡CUIDADO CON EL HIDRÓ GENO! ............................................................... 29 TEMPERATURA DE TREBAJO ELEVADA ..................................................... 32 PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA ............................................................ 35

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INTRODUCCIÓ N La aptitud de soldadura de los aceros con más del 0,2% de carbono es considerada normalmente pobre. Por tanto, aceros para matrices y utillajes con un contenido de 0,3 - 2,5% de carbono son difíciles de soldar y muchos suministradores de acero no recomiendan la aplicación de soldadura. De todos modos, la mejora en la calidad de los consumibles, los nuevos equipos de soldadura, nuevos desarrollos en la técnica de soldadura y no menos mejoras en la calidad del acero para herramientas, se han combinado para hacer que la soldadura del acero para herramientas sea una realidad que conlleve consecuencias económicas considerables.

Información general sobre soldadura de acero para matrices utillajes El acero para herramientas contiene un 0,3 - 2,5% de carbono, así como elementos de aleación tales como manganeso, tungsteno, vanadio y níquel. El problema principal en la soldadura de acero para herramientas radica en su alta templabilidad. La soldadura se enfría rápidamente una vez la fuente de calor se aparta de la zona a soldar, y el metal de soldadura y la zona afectada por el calor se templará. Esta transformación genera tensiones puesto que la soldadura está normalmente muy forzada, creando un elevado riesgo de aparición de grietas, a menos que se tenga un gran cuidado. Puede requerirse la soldadura de un utillaje por cualquiera de las razones siguientes: Restauración y reparación de utillajes rotos o dañados. Renovación de cantos cortantes dañados por melladuras, por ejemplo en utillajes de corte. Ajuste de errores de mecanizado durante la fabricación del utillaje. Cambios de diseño.

Fig. 1

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INTRODUCCIÓ N Zonas en la junta soldada La composición química del material de base, del aportado y las temperaturas a que han estado sometidos durante el soldeo tienen una decisiva influencia sobre la estructura metalúrgica y, como consecuencia, en el comportamiento del conjunto soldado, tanto desde el punto de vista mecánico como frente a la corrosión. Vamos a definir las zonas características del depósito de soldadura representado en la siguiente figura.

Fig. 2

Metal de base. Es el material de la construcción no afectado por la operación de soldadura, cuya composición química y estructura corresponden completamente a las de partida. Metal de soldadura. Es el metal fundido por la operación de soldeo y cuya composición química y estructura corresponden a las proporcionadas por la fusión del material de aportación (electrodo revestido, alambre, varilla, alambre + flux, etc.) y del metal de base. Zona afectada térmicamente (ZAT). Es la zona del metal de base que ha permanecido durante cierto tiempo en una gama de temperaturas en la que pueden producirse transformaciones o modificaciones estructurales, ya sea por formación de otras fases en aceros al carbono o poco aleados, ya sea por precipitación de compuestos de elementos intersticiales como carburos o nitruros o por formación de fases intermetálicas como la fase sigma, en los aceros inoxidables.

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INTRODUCCIÓ N Consecuencias mecánicas y metalúrgicas La figura 3 representa cualitativamente las variaciones de la carga de rotura y de la tenacidad en función de las temperaturas alcanzadas en la ZAT y en el metal de base durante la soldadura de un acero normalizado y otro templado y revenido de alta resistencia. En función de la naturaleza del material de base, la ZAT puede llegar a representar una entalla metalúrgica, como puede apreciarse en la figura 4. Por ello, los avances tecnológicos en la soldadura de los aceros se encaminan a hacer mínimos los efectos de esta entalla en las proximidades de los cordones de soldadura, que puede provocar un debilitamiento global de la construcción soldada. En suma, a mejorar la soldabilidad.

Fig. 3

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INTRODUCCIÓ N

Fig. 4

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INTRODUCCIÓ N CONCEPTO DE CARBONO EQUIVALENTE El carbono equivalente de un acero es una medida de su tendencia potencial a fisurarse durante la soldadura. La práctica, ha venido demostrando que el soldeo de aceros al carbono no presenta dificultades cuando su contenido de este elemento es igual o inferior a 0,25%. Tanto el C como el Mn, que constituyen los principales elementos que determinan y definen sus características mecánicas, tienen una marcada influencia en el agrietamiento. Se ha comprobado que la tendencia a la fisuración crece rápidamente cuando aumenta el contenido de C. En aceros con el mismo contenido de C, un aumento del Mn incrementa, aunque de forma más débil, la posibilidad de fisuras. Asímismo, se ha estudiado la influencia de otros elementos químicos que normalmente tienen su origen en la chatarra utilizada en la fabricación del acero, afectándoles de un coeficiente de equivalencia en relación con el C. El valor del carbono equivalente se calcula aplicando la fórmula que ampara los elementos que componen químicamente el acero con sus ponderados coeficientes de influencia en el agrietamiento durante la soldadura en relación al C. Del carbono equivalente existen tantas expresiones distintas como metalúrgicos o Asociaciones han investigado sobre el tema. Con ánimo de simplificar, vamos a exponer únicamente la recomendada por el Instituto Internacional de la Soldadura que es la más empleada y aceptada en la actualidad por la mayoría de diseñadores, fabricantes y usuarios:

Mn [C]

=C+

Cr + Mo + V +

6

Ni + Cu +

5

(%) 15

en donde los elementos que forman parte de la composición química del acero están expresados en %. Con objeto de evitar dificultades durante la soldadura de esta familia de aceros es práctica normal fijar un valor máximo de 0,43% para el carbono equivalente obtenido por esta fórmula o incluso ligeramente menor si se trata de soldar espesores gruesos o uniones fuertemente embridadas.

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INTRODUCCIÓ N APLICACIÓ N DE PRECALENTAMIENTO En la velocidad de enfriamiento de una soldadura juegan un papel fundamental: el espesor de la pieza, que crece por conductividad a medida que aumenta el grueso de la chapa la geometría de la junta que, a igualdad de espesor de la chapa, favorece el enfriamiento por el número de caminos de disipación de calor la energía neta aportada ENA en el proceso de soldeo. Vamos a estudiar a continuación diversos métodos de determinar la temperatura de precalentamiento necesaria. En la soldadura de estos aceros es indispensable el precalentamiento. Gracias al mismo, disminuye la velocidad de enfriamiento de la soldadura resultando estructuras metalúrgicas correspondientes a bainitas superiores. Se reduce la dureza del metal aportado y de la ZAT, contribuyendo a evitar la fisuración al facilitar la difusión del hidrógeno. En la figura 5 se aprecia la influencia del precalentamiento en la dureza.

Fig. 5

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INTRODUCCIÓ N Método de Seferian Este famoso metalúrgico francés propone la siguiente expresión:

TP = 350 [C] T - 0,25 en donde [C]T es el equivalente total de carbono, suma del equivalente químico [C]q y del equivalente en carbono del espesor [C]e, que depende a su vez del propio espesor y de la templabilidad del acero. Esto es:

[C]T = [C]q + [C]e llegando a la conclusión que:

[C]T = [C]q (1 + 0,005e) estando e expresado en milímetros. SEFERIAN determina gráficamente la temperatura de precalentamiento como se muestra en la figura 6.

Fig. 6

Mn + Cr [C]q = C +

Ni +

9

7Mo +

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INTRODUCCIÓ N A partir del parámetro de fisuración Una expresión que define la tendencia de un acero a la fisuración en función de su composición química, espesor y cantidad de hidrógeno disuelto en el metal depositado durante el proceso de soldeo, viene dada por la siguiente fórmula:

Si Pc = C +

+ 30

en donde:

Mn

Cu +

20

Ni +

20

Cr +

60

Mo +

20

V +

15

e + 5B +

10

H2 +

600

60

Pc = parámetro de fisuración; e = espesor del acero, en mm; H2 = hidrógeno en ml/I00 g de metal depositado.

De acuerdo con esta expresión, la temperatura mínima de precalentamiento para que en unas ciertas condiciones de ensayo no se produzca la fisuración del acero es:

Tp(º C) = 1440 Pc - 392

TRATAMIENTO TÉRMICO POSTSOLDADURA Objeto Los objetivos del tratamiento térmico postsoldadura, Post Weld Heat Treatment, y abreviadamente PWHT, son: Una recolocación de cristales, facilitada por la dilatación de toda la red cristalina durante el tratamiento y su posterior enfriamiento controlado desde esta temperatura. Ello se traduce en un alivio de las tensiones originadas durante la operación de soldadura, tanto en el metal aportado como en la zona afectada térmicamente. Un beneficioso efecto de revenido de las posibles estructuras duras producidas como consecuencia del soldeo. La eliminación del hidrógeno por difusión, a causa de la elevada temperatura y el tiempo que se mantiene aquélla durante el tratamiento.

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INTRODUCCIÓ N Consecuencias Se acepta tácitamente que el PWHT afecta las características mecánicas del material en las que se basa el cálculo de los espesores de la construcción soldada. Los efectos de un prolongado PWHT en los aceros al C y al C-Mn representan una reducción del límite elástico y de la carga de rotura y un incremento de la temperatura de transición. Estas variaciones pueden ser importantes y en cualquier caso deberían ser tenidas en cuenta en el momento del diseño. Los numerosos estudios llevados a cabo en los últimos veinte años se muestran de acuerdo en señalar de forma sistemática una cualitativa reducción de las propiedades mecánicas de los aceros sometidos a tratamientos térmicos después de la soldadura. Muy pocos, sin embargo, se han atrevido a anticipar cuantitativamente las consecuencias del PWHT para que puedan preverse sus efectos en el cálculo previo de los espesores. En este sentido, HOLLOMAN y JAFFE han establecido unos parámetros para el ciclo térmico que, además de la temperatura del tratamiento, contemplan factores como el tiempo de permanencia a esa temperatura y las velocidades de calentamiento y enfriamiento, en cuyo transcurso puede operarse un cambio significativo de propiedades mecánicas del conjunto soldado. El parámetro HOLLOMAN-JAFFE se expresa como:

Hp = T(20 + log t) 10 -3 en donde: T = es la temperatura mantenida en el PWHT, en °K. t = tiempo equivalente de mantenimiento a la temperatura del PWHT, en horas. En la figura 7 se grafica el parámetro Hp, para varias temperaturas de PWHT.

Fig. 7

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INTRODUCCIÓ N ERIKSON ha estudiado la influencia de la duración de los ciclos de calentamiento y enfriamiento en las propiedades mecánicas del conjunto soldado. A él se debe el parámetro:

T E = 2k(20 - log k) en donde k es la velocidad de calentamiento o enfriamiento en ºK/hora, supuesta uniforme desde la temperatura inicial y final de PWHT. En la práctica, estas velocidades no son uniformes, pero este supuesto no presenta discrepancias apreciables. Este parámetro E representa un tiempo equivalente de calentamiento o enfriamiento, los cuales hay que sumar al tiempo real de mantenimiento para obtener el tiempo equivalente. En la figura 8 se muestra gráficamente el parámetro E para cuatro temperaturas de PWHT.

Fig. 8

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INTRODUCCIÓ N Se va a tratar térmicamente un recipiente de acero al carbono de 75 mm de espesor de acuerdo con el siguiente ciclo: Temperatura de tratamiento: 600 °C. Tiempo de mantenimiento: 3 horas. Velocidad de calentamiento: 75 °C/h. Velocidad de enfriamiento: 90°C/h.

1) Cálculo del tiempo equivalente del PWHT tiempo equivalente de calentamiento: del gráfico de la figura 8, o aplicando la fórmula del parámetro de ERIKSON, se obtiene el valor de 0,32 horas. tiempo equivalente de enfriamiento: del gráfico de la figura 8, o aplicando la fórmula del parámetro de ERIKSON, se obtiene el valor de 0,27 horas. tiempo equivalente de mantenimiento 0,32 + 3 + 0,27 = 3,59 horas

Por lo tanto, podemos asumir que:

Tiempo equivalente de mantenimiento del PWHT

+

Tiempo equivalente de calentamiento

+

Tiempo de mantenimiento a la temperatura del

+

Tiempo equivalente de enfriamiento

PWHT

Una vez calculado el tiempo equivalente de mantenimiento a la temperatura del tratamiento térmico y el parámetro HP las gráficas de la figura 15 nos permiten anticipar la variación de propiedades debidas al PWHT. La línea continua representa la media de los resultados de los ensayos en una distribución gaussiana y las líneas de puntos, los resultados extremos.

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INTRODUCCIÓ N

Fig. 9

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INTRODUCCIÓ N Postcalentamiento Se entiende por postcalentamiento la aportación de calor después de finalizada la soldadura para mantener una temperatura ligeramente elevada durante un período de tiempo más o menos largo (de treinta minutos a dos horas), seguido de un enfriamiento lento hasta la temperatura ambiente. El objetivo que se persigue es la reducción de la dureza, de la fragilidad y la más rápida difusión del hidrógeno, lo que globalmente supone una reducción del riesgo de fisuración. El postcalentamiento es siempre beneficioso y en ciertos casos muy recomendable como en la soldadura de fuertes espesores y en aceros con alto contenido en Cr (5 y 9 %). El postcalentamiento es muy conveniente cuando el tratamiento térmico no se realiza inmediatamente después de finalizar la soldadura.

Temperatura entre pasadas El precalentamiento debe mantenerse a lo largo del tiempo que dura la operación de soldeo. La temperatura entre pasadas no debe ser nunca inferior a la de precalentamiento ni tampoco excesiva que complique las condiciones de ejecución de la soldadura. Si desciende por debajo de la de precalentamiento nos encontraríamos en condiciones precarias, expuestos al riesgo de que se formen estructuras duras. Adicionalmente, al no respetar uno de los parámetros establecidos al calificar el procedimiento de soldeo, no estaríamos en condiciones de poder asegurar la ausencia de entallas metalúrgicas en la junta.

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INTRODUCCIÓ N MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS LA ZONA DE SOLDADURA CARACTERÍSTICAS DEL METAL DE APORTACIÓ N ¡CUIDADO CON EL HIDRÓ GENO! TEMPERATURA DE TREBAJO ELEVADA PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

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MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS PRINCIPIOS DEL PROCESO Este proceso de soldadura, también llamado Manual Metal Arc (MMA), se caracteriza porque se produce un arco eléctrico entre la pieza a sodlar y un electrodo metálico recubierto, cuyo diagrama se muestra en la figura 1. Con el calor producido por el arco, se funde el extremo del electrodo y se quema el revestimiento, produciéndose la atmósfera adecuada para que se produzca la transferencia de las gotas del metal fundido desde el alma del electrodo hasta el baño se fusión en el material de base.

Fig. 1

SOLDADURA POR ARCO CON ELECTRODO PROTEGIDO (SMAW O MMA) SMAW (Shielded metal arc welding)

Principio Un arco eléctrico es generado por una fuente de alimentación de corriente continua o alterna creando la unión entre un electrodo revestido y la pieza de trabajo.

Fig. 2

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MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS Los electrodos consisten en un núcleo central, normalmente formado por un acero bajo en carbono, recubierto por una compactación de polvo. La constitución de este revestimiento es compleja y consiste en polvo de acero, aleaciones de hierro, formadores de inclusiones y material de sujeción. El electrodo se consume bajo la acción del arco durante la operación de soldadura y gotas de metal fundido son transferidas a la pieza de trabajo. La contaminación por aire durante la transferencia de gotas fundidas desde el electrodo hasta la pieza de trabajo y durante la solidificación y enfriamiento del deposito de soldadura, se evita parcialmente por las inclusiones formadas por los constituyentes del revestimiento del electrodo, y parcialmente por los gases creados durante la fusión de éste. La composición del depósito de metal soldado es controlada mediante la constitución del recubrimiento del electrodo.

Fuente de alimentación MMA (Manual Metal Arc) Para la soldadura MMA, es posible utilizar tanto una fuente de alimentación con corriente continua como corriente alterna. Aunque, cualquiera que sea la que se utilice, la fuente de alimentación deberá proporcionar una comente y un voltaje compatible con el electrodo. Los voltajes normales del arco son: Electrodos de recuperación normales: 20-30 V Electrodos de recuperación alta:

30-50 V

Los consumibles de soldadura de Uddeholm son del tipo de recuperación normal. Una fuente de alimentación adecuada para ellos es una unidad DC con un voltaje abierto de 70 V que sea capaz de enviar 250 A/ 30V al 35% de intermitencia.

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MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS ELECTRODOS. FABRICACIÓ N El material de aportación que se usa en el proceso MMA se conoce como electrodo y consiste en una varilla metálica, generalmente acero, recubierta de un revestimiento concéntrico de flux extruido y seco. El proceso de fabricación se resume en la figura 3. A - Varilla metálica interior B - Revestimiento del electrodo C - Gas de protección D - Escoria solidificada E - Cordón de soldadura E - Baño de soldadura G - Gotas de metal recubiertas de escoria fundida H - Metal base

REVESTIMIENTOS Composición del revestimiento La composición de los revestimientos suele ser muy compleja. Se trata generalmente de una serie de sustancias orgánicas y minerales. En la fabricación de la pasta para el revestimiento suelen intervenir: óxidos naturales: óxidos de hierro, ilmenita (50% Fe2O3 — 50% TiO2), rutilo (TiO2), sílice (SiO2), ... silicatos naturales: caolín, talco, mica, feldespato... productos químicos; carbonatos, óxidos... productos volátiles: celulosa, serrín... fundentes ferroaleaciones: de Mn, Si, Ti... aglomerantes: silicato sódico, silicato potásico...

Sin embargo, la naturaleza, dosificación y origen de los componentes permanece en secreto por parte del fabricante que en la práctica se limita a garantizar la composición química del metal depositado y sus características mecánicas: carga de rotura, límite elástico, alargamiento y resiliencia. El secado previo se lleva a cabo haciéndolos pasar por un horno de funcionamiento continuo, cuya temperatura se incrementa gradualmente para evitar que se agriete y se desprenda el revestimiento.

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MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS Para electrodos tipo rutilo normal, el secado previo a una temperatura de aproximadamente 100 °C es suficiente. Para electrodos básicos, después de este secado previo se pasan a hornos convencionales de aire para darles un secado final a 400-450 °C. con el fin de que el contenido de H2O a 1.000 °C según AWS, sea inferior a 0,4%. De esta forma nos aseguramos que el contenido de hidrógeno sea inferior a 10 cc. por cada 100 gr/metal depositado. Posteriormente se empaquetan en cajas de cartón o metálicas. Aquéllas suelen protegerse de la humedad con plástico termorretráctil. En general, debe seguirse la regla de que los materiales de aporte deben embalarse de tal forma que no sufran deterioros, ni se humedezcan, ni se sequen.

Composición de las escorias

Contenido

Electrodos básicos

Electrodos rutilos

Electrodos ácidos

CaO CaF2 SiO2 TiO2 MnO FeO Al2O3 MgO Varios

27 34 15 9 5 4 — — 6

5 — 20 45 8 5 5 5 7

4 — 36 — 26 21 4 2 7

Composición típica de la escoria procedente de tres tipos de electrodos.

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MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS PRINCIPIOS DEL PROCESO TIG Descripción El procedimiento de soldadura por arco bajo gas protector con electrodo no consumible, también llamado TIG (Tungsten Inert Gas), utiliza como fuente de energía el arco eléctrico que salta entre un electrodo no consumible y la pieza a soldar, mientras un gas inerte protege el baño de fusión. El material de aportación, cuando es necesario, se aplica a través de varillas como en la soldadura oxiacetilénica. La figura 3 muestra esquemáticamente los principios del procedimiento TIG.

SOLDADURA CON ARCO DE TUNGSTENO (GTAW O TIG) GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

Principio En la soldadura MMA, el polo del electrodo desde el cual se forma el arco, se consume durante la operación. El electrodo en soldadura TIG está compuesto por tungsteno o por una aleación de tungsteno que tiene un alto punto de fusión (sobre los 3300° C) y por tanto no se consume durante éste proceso (ver figura 4) . El arco se forma inicialmente mediante la unión del electrodo - pieza de trabajo a un voltaje de alta frecuencia. La ionización resultante permite la formación del arco sin necesidad de que exista contacto entre el electrodo y la pieza de trabajo. El electrodo de tungsteno está siempre conectado al terminal negativo de

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MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS una fuente de alimentación DC, puesto que ello minimiza la generación de calor, y por tanto cualquier riesgo de fundir el electrodo. La corriente se conduce hacia el electrodo mediante un contacto dentro de la pistola TIG. Cualquier tipo de consumible que se requiera durante la operación de soldadura TIG deberá alimentarse de forma oblicua al arco, en fonna de varilla o electrodo. Puede prevenirse la oxidación del pozo de soldadura mediante una capa de gas inerte que emana desde la pistola TIG por el electrodo y la soldadura.

Fuente de alimentación La soldadura MMA puede realizarse con una fuente de alimentación normal para MMA, teniendo en consideración que ésta cuente con una unidad de control TIG. La pistola deberá ser de refrigeración por agua y capaz de manejar una corriente mínima de 250 A al 100% de intermitencia. Una lente de gas es también una característica conveniente a fin de que la protección del gas inerte sea lo más eficaz posible. La soldadura se ve facilitada si la comente puede verse incrementada sin discontinuidad, desde cero hasta el nivel óptimo. A: Conducción del gas B : Soporte del electrodo C: Electrodo de Tungsteno no consumible D: Gas de protección E : Cordón de soldadura F: Metal fundido G: Arco H: Metal de aportación I : Metal base

TIG con arco pulsado Se trata de una variante del procedimiento TIG en la que la corriente de soldadura varía cíclicamente entre un nivel mínimo (corriente de fondo) y máximo (impulso), a frecuencias que dependen del trabajo a realizar y que pueden oscilar entre milésimas de segundo y segundos. Esta técnica facilita el control del baño de fusión y permite ajustar con bastante precisión la energía aportada por lo que suele emplearse en espesores muy finos y en uniones que presenten una gran dificultad operatoria.

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MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS PRODUCTOS DE APORTE Electrodos consumibles Puesto que el TIG es un proceso que no produce escorias y que se realiza en una atmósfera inerte que no provoca reacciones en el baño, el material de aportación, cuando se utilice, deberá tener básicamente una composición química similar a la del material de base. Normalmente, se presentan en forma de varillas de distintos diámetros.

Gases de protección Los gases utilizados en soldadura y sus técnicas afines se dividen en: inertes

A (*)

poco activos

N2

activos

{

He

oxidantes reductores

{

CO2 O2 H2

Recordemos brevemente los fenómenos que experimentan durante el proceso de soldeo. Ionización Es la separación, con carácter reversible, de los átomos o moléculas del gas en iones y electrones: Ejemplo: A ⇔ A+ + θ

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LA ZONA DE SOLDADURA A fin de poder aplicar de forma satisfactoria la soldadura en el acero para herramientas, el siguiente equipo se considera como requisito mínimo (Aparte del equipo de soldadura.)

Cabina seca Los electrodos para soldadura MMA son muy higroscópicos, por tanto no debería permitirse entrar en contacto con otra cosa que no fuera aire seco. Si no fuera así, la soldadura se vería contaminada por hidrógeno (informaremos más adelante). Por tanto, la zona de soldadura debe contar con una cabina seca para el almacenaje de los electrodos. Esta debería estar controlada de forma termostática entre 50-150° C. Los electrodos deben sacarse de su envoltorio y dejarse sueltos en el interior de la cabina.

Banco de trabajo Es especialmente importante, durante las operaciones de soldadura críticas, por ejemplo del tipo de las que se realizan en acero para utillajes, que el operario que vaya a realizar la soldadura adopte una posición de trabajo confortable. Por tanto, el banco de trabajo debe ser estable, con la altura correcta a un nivel suficiente a fin de que la pieza de trabajo pueda posicionarse de forma precisa y segura. Es ventajoso contar con un banco de trabajo rotatorio y ajustable verticalmente, puesto que éstas dos características facilitan la operación de soldadura. Para aplicar soldadura en utillajes fuera de la zona de soldadura, es siempre útil tener un contenedor que cuente con calor, para poder transportar los electrodos.

Equipo de precalentamiento El acero para herramientas no puede soldarse a temperatura ambiente sin contar con un considerable riesgo de aparición de grietas, siendo generalmente necesario precalentar el molde o matriz antes de iniciar la operación de soldadura (ver información más adelante). Mientras que es posible soldar herramientas con éxito, realizando el precalentamiento en un horno, las posibilidades de que la temperatura descienda excesivamente antes de haber concluido el trabajo son muchas. Por tanto, se recomienda mantener el utillaje a la temperatura adecuada, utilizando un calentador eléctrico regulado por una fuente de alimentación con corriente DC. Este equipo permite que el utillaje se caliente de forma uniforme y controlada. Para pequeñas reparaciones y ajustes, puede ser aceptable precalentar el utillaje utilizando un soplete de propano. Por tanto, cargas de propano líquido deberán encontrarse disponibles en la zona de soldadura.

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LA ZONA DE SOLDADURA Maquinaria de rectificado El material siguiente debería encontrarse disponible: Rectificadora de disco con diámetro mínimo 180 x muela de 6 mm para preparar la junta y eliminar los defectos que puedan aparecer con la soldadura. Rectificadora plana de >25000 rpm para rectificar los pequeños defectos y efectuar el acabado de la soldadura. Si el molde soldado debe ser pulido o fotograbado posteriormente, puede ser necesario contar con un rectificadora capaz de ofrecer un acabado fino.

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INTRODUCCIÓ N MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS LA ZONA DE SOLDADURA CARACTERÍSTICAS DEL METAL DE APORTACIÓ N ¡CUIDADO CON EL HIDRÓ GENO! TEMPERATURA DE TREBAJO ELEVADA PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

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CARACTERÍSTICAS DEL METAL DE APORTACIÓ N La composición química de un depósito de soldadura viene determinada por la composición del consumible (metal de aportación), la composición del acero base y la cantidad de material que se ha fundido durante la operación de soldadura. El electrodo o la varilla debería mezclarse fácilmente con el acero base fundido, resultando en un depósito con: Una composición uniforme, dureza y respuesta al tratamiento térmico. Libre de inclusiones no metálicas, porosidades o roturas. Propiedades adecuadas para la aplicación del utillaje en cuestión. Dado que la soldadura en acero para herramientas cuenta con una alta dureza, ésta es particularmente susceptible a roturas que se pueden originar a partir de partículas de escoria o poros. Por tanto, el consumible a utilizar debería ser capaz de producir una soldadura de alta calidad. De modo similar, es también necesario que los consumibles se fabriquen con un control de análisis muy estrecho, a fin de que la dureza de la soldadura y la respuesta de ésta al tratamiento térmico se reproduzca de pasada en pasada. El material de relleno de alta calidad es asimismo esencial si el molde debe ser pulido o fotograbado, después de aplicar la soldadura. Los consumibles para soldadura de Uddeholm cuentan con todos éstos requisitos. La varilla de soldadura TIG se fabrica normalmente partiendo de escoria electro afinada, mientras que los electrodos revestidos son del tipo básico, y son muy superiores a los electrodos de Rutilo, en lo que se refiere a limpieza de soldadura. Otra de las ventajas con electrodos recubiertos básicos sobre los del tipo Rutilo es que los primeros aportan una menor cantidad de hidrógeno en el material soldado. En general, el consumible utilizado para la soldadura de acero para herramientas debe ser similar en composición al material base. Al soldar en condición de recocido, por ejemplo, si un molde o matriz debe ser ajustado durante el proceso de producción, es de vital importancia que el material de relleno cuente con la mismas características de tratamiento térmico que el material base, si no fuera así, la zona soldada en el utillaje terminado contaría con una dureza distinta. Las grandes diferencias en composición, son también asociadas a un incremento de riesgo de aparición de grietas, en conexión con la dureza. Para los tres principales segmentos de aplicación de aceros para herramientas (trabajo en frío, trabajo en caliente y moldes de plástico), las propiedades más importantes del metal de soldadura son: Trabajo en caliente Dureza. Resistencia al revenido. Tenacidad. Resistencia al desgaste. Resistencia a la fatiga térmica.

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CARACTERÍSTICAS DEL METAL DE APORTACIÓ N Moldes de plástico Dureza Resistencia al desgaste Pulibilidad Capacidad de fotograbado. Comentamos brevemente éstas propiedades a continuación.

Dureza Si el molde o matriz es soldado en condición de temple y revenido, es importante que la soldadura cuente con la misma dureza que el material base, una vez realizada la soldadura. Siendo éste el caso, pueden realizarse pequeñas soldaduras sin necesi dad de revenir el utillaje.

Tenacidad A pesar del hecho de que estamos tratando con lo que esencialmente sería una fución, el metal soldado en el acero para utillajes puede ser sorprendentemente tenaz, como resultado de la relativamente fina microestructura derivada del alto nivel de solidificación. Aunque, en general, la tenacidad se verá mejorada con el consecuente tratamiento térmico. Por tanto grandes reparaciones de soldadura en un utillaje templado deberán siempre someterse a un revenido una vez aplicada la soldadura, aunque la dureza del metal de soldadura y la del acero base sean compatibles en la condición de soldadura. En acero para aplicaciones de trabajo en frío, donde se requiere una alta dureza, es importante tener en cuenta utilizar un metal de relleno más blando en las capas iniciales y terminar con un electrodo más duro en la superficie de trabajo del utillaje. Este procedimiento creará una reparación más tenaz que si se hubiera utilizado el electrodo duro para todas las capas.

Resistencia al desgaste Al igual que ocurre con el acero para herramientas, la resistencia al desgaste de un metal soldado aumenta con su dureza y contenido en aleación.

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ÍNDICE

INTRODUCCIÓ N MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS LA ZONA DE SOLDADURA CARACTERÍSTICAS DEL METAL DE APORTACIÓ N ¡CUIDADO CON EL HIDRÓ GENO! TEMPERATURA DE TREBAJO ELEVADA PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

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¡CUIDADO CON EL HIDRÓ GENO! La soldadura en acero para herramientas cuenta con alta dureza y es por tanto, especialmente susceptible a roturas frías derivadas por la entrada de hidrógeno durante la operación de soldadura. En muchos casos, el hidrógeno se genera como resultado del vapor de agua siendo absorbido por el recubrimiento higroscópico de los electrodos MMA (Fig. 1).

Fig. 1. Cantidades típicas de hidrógeno disponible y contenido de hidrógeno en el metal de soldadura, para diferentes procesos de soldadura y tipos de electrodo.

La susceptibilidad de una soldadura a las roturas por hidrógeno dependen de: La microestructura del metal de soldadura (las distintas microestructuras tienen distinta sensibilidad al hidrógeno). La dureza del acero (cuanto mayor es la dureza mayor es la susceptibilidad). Nivel de tensiones. La cantidad de hidrógeno que puede difundirse aportado durante la operación de soldadura.

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¡CUIDADO CON EL HIDRÓ GENO! CONTENIDO EN HIDRÓ GENO DIFUSIBLE En cuanto a la susceptibilidad de la soldadura a las roturas en frío se refiere, este es el factor más sencillo por el que se puede realizar alguna acción. Añadiendo una cierta cantidad de simples precauciones, la cantidad de hidrógeno introducida durante la soldadura puede verse reducida de forma apreciable. Almacenar siempre los electrodos recubiertos en una cabina con calor, una vez el envoltorio de los electrodos ha sido abierto. (Mencionado anteriormente.) La contaminación sobre las superficies de la junta de los alrededores en la superficie del utillaje, por ejemplo, aceite, óxido o pintura, es una fuente de hidrógeno. Por tanto, las superficies de la junta y del utillaje adyacentes a la zona de soldadura deberán rectificarse hasta encontrar el metal limpio, inmediatamente antes de empezar a soldar. Si se realiza el precalentamiento con un soplete de propano, deberá recordarse que ello puede causar formación de humedad en las superficies del utillaje que no estén directamente impregnadas por la llama.

NIVEL DE TENSIONES Las tensiones en la soldadura son creadas por tres puntos importantes: Contracción durante la solidificación de la cavidad fundida. Diferencia de temperatura entre la soldadura, la zona afectada por el calor y el acero base. Transformación de tensiones cuando la soldadura y la zona afectada por el calor se templa durante el enfriamiento. En general, el nivel de tensiones en la zona próxima a la soldadura alcanzará el límite elástico máximo, que para el acero templado para herramientas es realmente muy alto. Es muy difícil poder hacer alguna cosa para evitarlo, pero posiblemente puede mejorarse algo la situación mediante un diseño adecuado de la soldadura (situación de las capas y secuencia de pasadas). Aunque ninguna medida, para reducir las tensiones ayudará, si la soldadura está seriamente contaminada por hidrógeno.

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TEMPERATURA DE TRABAJO ELEVADA La razón básica por la que se suelda el acero para utillajes a temperaturas elevadas, deriva de la alta templabilidad y por tanto de la sensibilidad a las roturas en la soldadura del acero para utillajes y de las zonas afectadas por el calor. La soldadura en un utillaje frío causará un rápido enfriamiento del metal soldado y de la zona afectada por el calor entre las distintas pasadas, con el resultado de la transformación en martensita frágil y riesgo de grietas. Las grietas formadas en la soldadura podrían propagarse a través de todo el utillaje si éste está frío. Por tanto, el molde o matriz debería mantenerse durante la operación de soldadura a 50-100°C sobre la temperatura Ms (temperatura de iniciación de martensita), para el acero en cuestión; hay que hacer constar, estrictamente hablando, que la temperatura crítica es la temperatura Ms del metal de soldadura, y ésta puede que no sea la misma que la del metal base. En algunas ocasiones, puede ser que el acero base esté templado y haya sido revenido a una temperatura inferior que la temperatura Ms. En éste caso, el precalentar el utillaje para realizar la operación de soldadura causaría un descenso de dureza. Por ejemplo, la mayoría de los aceros para aplicaciones de trabajo en frío revenidos a baja temperatura deberán ser precalentados, hasta alcanzar una temperatura que exceda a la temperatura de revenido, que normalmente está alrededor de los 200°C. El descenso de dureza deberá aceptarse, a fin de realizar un precalentamiento adecuado y mitigar el riesgo de aparición de grietas durante la operación de soldadura. Durante la soldadura múltiple de un utillaje precalentado de forma adecuada, la mayor parte de la soldadura permanecerá en forma austenítica durante toda la operación de soldadura y se transformará lentamente, a medida en que se vaya enfriando el utillaje. Ello asegura una dureza y microestructura uniforme durante toda la operación de soldadura, en comparación con la situación en la que cada pasada se transforma en martensita entre paso y paso (aparte del riesgo de grietas en el último momento). Está claro, que la total operación de soldadura debe ser completada cuando el utillaje está caliente. Una soldadura parcial, dejando que el utillaje se vaya enfriando y luego precalentando más tarde, hasta concluir el trabajo, no es recomendable pues, to que existe un riesgo considerable de rotura del utillaje. Mientras que es factible precalentar los utillajes en un horno, existe la posibilidad de que la temperatura sea desigual (creando tensiones), y de que ésta descienda excesivamente antes de completar la operación de soldadura (especialmente si el utillaje es pequeño). El mejor método de precalentar y mantener el utillaje a la temperatura requerida durante la soldadura, es utilizar una cámara aislada con elementos eléctricos en las paredes (mencionado anteriormente). La figura nos muestra las diferencias en distribución de durezas, en soldaduras realizadas en utillajes precalentados en un horno y en cámara aislada. Queda claro que el utillaje precalentado en un horno muestra una dispersión considerablemente mayor en dureza que en el utillaje precalentado en una cámara aislada.

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TEMPERATURA DE TRABAJO ELEVADA

MICROESTRUCTURA / DUREZA Las microestructuras características que dan una alta dureza en las zonas afectadas por el calor y por el metal de soldadura, es decir, martensita y bainita, son particularmente sensibles a una fragilidad por causa del hidrógeno. Aunque esta susceptibilidad es tan solo de forma marginal, siendo aliviada mediante un revenido.

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INTRODUCCIÓ N MÉTODOS DE SOLDADURA DE ACERO PARA HERRAMIENTAS LA ZONA DE SOLDADURA CARACTERÍSTICAS DEL METAL DE APORTACIÓ N ¡CUIDADO CON EL HIDRÓ GENO! TEMPERATURA DE TREBAJO ELEVADA PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

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PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA Incluso con el mejor de los equipos y con los consumibles más apropiados, los aceros para utillajes no pueden soldarse de forma satisfactoria a menos que se realice una preparación de la junta con sumo cuidado, y se aplique el tratamiento térmico adecuado después de realizar la soldadura.

PREPARACIÓ N DE LA JUNTA La importancia de una preparación de la junta de forma cuidadosa no debe ser puesta en relieve. Las grietas deben eliminarse mediante rectificado a fin de que la junta se incline en un ángulo de al menos 30° C hacia la vertical. El espesor del fondo de la junta debe ser de un mínimo de 1 mm mayor que el diámetro máximo del electrodo que se va a utilizar.

La erosión o los daños por fatiga térmica en aceros para trabajo en caliente deberán eliminarse hasta alcanzar el acero limpio. Las superficies del utillaje, alrededor de la zona a soldar y la superficie de la misma junta deberán ser todas rectificadas, hasta llegar al metal limpio. Antes de comenzar la soldadura, las áreas rectificadas deberán comprobarse a fondo para asegurar que todos los defectos han sido eliminados. El utillaje debe soldarse inmediatamente que la preparación de la junta esté lista, puesto que de lo contrario existe el riesgo de contaminación de las superficies de la junta con polvo, suciedad o humedad.

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PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA CREACIÓ N DE LA SOLDADURA Primeramente, las superficies de la junta se cubren al crear un numero apropiado de cordones. Esta capa inicial deberá realizarse con un electrodo MMA de pequeño diámetro (máxima 3,25 mm) o mediante soldadura TIG (corriente máxima 120 A). La segunda capa debe realizarse con el mismo diámetro de electrodo y la n-isma intensidad de corriente que en la primera capa, a fin de que la zona afectada por el calor no sea demasiado amplia. La idea aquí es que cualquier microestructura dura y frágil, que se pueda formar en la zona afectada por el calor en el material base de la primera capa, será revenida por el calor de la segunda capa y la posibilidad de aparición de grietas se verá por tanto reducida El resto del cuerpo de la junta puede ser soldado con una corriente más alta y con electrodos de mayor diámetro.

Los cordones finales deberían realizarse bastante por encima de la superficie del utillaje. Incluso pequeñas soldaduras deberían comprender un mínimo de dos cordones. Rectificar luego las últimas pasadas.

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PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA Durante la operación de soldadura, el arco deberá ser corto y las capas depositadas en distintas etapas. El electrodo debe estar en un ángulo de 90° hacia los lados de la junta a fin de minimizar la señal de la unión. Además, el electrodo debería sostenerse en un ángulo de 75-80°C en la dirección del movimiento hacia adelante. El arco debe formarse en la junta y no sobre la superficie de cualquier utillaje que no deba ser soldado. El punto donde se ha formado el arco es probablemente un punto de iniciación de grietas. A fin de evitar poros, el punto inicial de formación del arco deberá estar completamente fundido al iniciar la soldadura. Si se inicia de nuevo, con un electrodo MMA utilizado parcialmente, la punta deberá limpiarse de escoria; ello ayuda a la formación del arco al mismo tiempo que la potencial fuente de porosidades es eliminada. Al reconstruir cantos o esquinas, puede ahorrarse tiempo y consumibles utilizando un trozo de chapa de cobre o grafito como soporte para el metal de soldar (ver figura). Utilizando éste tipo de soporte significa también que la zona fundida está más caliente, lo cual reduce el riesgo de formación de poros (es necesario utilizar corrientes bajas al reconstruir cantos agudos o esquinas). Si se utiliza un soporte de cobre o grafito, deberá permitirse un extra de 1,5 mm entre el soporte y la superficie de la soldadura requerida, puesto que la escoria toma una cierta cantidad de espacio (soldadura MMA).

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PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA Para realizar la reparación o ajustes de un utillaje costoso, por ejemplo en un molde de plástico con una cavidad pulida o texturizado, es esencial que exista un buen contacto entre el cable de retorno y el utillaje. Un pobre contacto da problemas con el arco secundario y la costosa superficie puede verse dañada por los puntos de formación del arco. Este tipo de utillajes deberían situarse sobre una placa de cobre la cual proporciona el mejor contacto posible. La chapa de cobre deberá ser precalentada al mismo tiempo que el utillaje. La o las soldaduras una vez completadas deberán limpiarse cuidadosamente y examinarse antes de permitir que el utillaje se enfríe. Cualquier tipo de defecto, como el punto en que se ha formado el arco o la indentación, deberán solucionarse inmediatamente. Una vez se ha enfriado el utillaje, la superficie de la soldadura puede ser rectificada hasta alcanzar el nivel de los alrededores del utillaje antes de pasar a otro proceso. Moldes que requieran que la zona soldada sea pulida o fotograbada, deberán tener los cordones finales de soldadura realizados con soldadura TIG, ya que tiene menor posibilidad de poros o inclusiones en el metal depositado.

TRATAMIENTO TÉRMICO DESPUÉS DE APLICAR LA SOLDADURA Dependiendo de la condición inicial del utillaje, los siguientes tratamientos térmicos pueden ser realizados después de aplicar la soldadura: Revenido. Recocido blando, luego temple + revenido como de costumbre. Liberación de tensiones (estabilizado).

Revenido Los utillajes templados reparados mediante soldadura deberían, si es posible ser revenidos después de soldar. El revenido mejora la tenacidad del metal de soldadura, y es particularmente importante cuando la zona soldada está sujeta a grandes tensiones durante el trabajo, (por ejemplo en utillajes para aplicaciones de trabajo en frío y trabajo en caliente).

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PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA La temperatura de revenido debería seleccionarse para que la dureza del metal de soldadura y el acero base sean compatibles. Una excepción de ésta regla aparece cuando el metal de soldadura exhibe de forma apreciable, una mejorada resistencia al revenido sobre el material base. Pequeñas reparaciones no necesitan ser revenidas después de aplicar la soldadura; aunque de todas formas, debería realizarse siempre que sea posible.

Recocido blando Los utillajes soldados para acoplar unos cambios de diseño concretos, o por causa de errores de mecanizado durante la fabricación del utillaje, y que se encuentran en condición de recocido blando, necesitarán ser tratados térmicamente después de aplicar la soldadura. Puesto que el metal de soldadura se habrá templado durante el enfriamiento de la soldadura siguiente, es muy deseable recocer la soldadura antes de templar y revenir el utillaje. El ciclo de recocido blando utilizado es el recomendado para el acero base. La zona soldada puede ser entonces mecanizada y el utillaje puede acabarse y tratarse térmicamente en la forma habitual. Aunque, el utillaje pueda acabarse simplemente rectificando la soldadura, se recomienda realizar el recocido blando a fin de mitigar el riesgo de grietas durante el tratamiento térmico.

Liberación de tensiones (estabilizado) En algunas ocasiones, el estabilizado se lleva a cabo después de realizar la soldadura a fin de eliminar las tensiones residuales. Para reparaciones grandes de soldadura, o en las que ha habido grandes tensiones, ello es una precaución importante. Si la soldadura tiene que ser revenida o debe realizarse un recocido blando, entonces no se requiere normalmente aplicar un estabilizado. Las reparaciones o ajustes pequeños normal mente no requerirá ningún tipo de estabilizado. Las tablas siguientes ofrecen detalles sobre reparación o ajustes mediante soldadura de utillajes realizados con calidades de acero de Uddeholm para trabajo en caliente, moldes de plástico o en aplicaciones de trabajo en frío.

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PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA REPARACIÓ N DE ACERO PARA TRABAJO EN CALIENTE MEDIANTE SOLDADURA

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PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA REPARACIÓ N DE ACERO PARA MOLDES DE PLÁSTICO MEDIANTE SOLDADURA

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